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RÉSUMÉ
Cet article présente la physique fondamentale des sources lasers à l’état solide, incluant les bases de l’émission laser et les propriétés optiques et électroniques des matériaux lasers. Les principales parties traitent spécifiquement des matériaux lasers comme les cristaux et les verres dopés par les ions de transition ou les ions de terres rares, l’histoire, les diagrammes de niveaux d’énergie, la population des niveaux d’énergie, l’inversion de population, les systèmes à 3 et 4 niveaux, les mécanismes d’absorption et d’émission, les émissions spontanées et stimulées, l’amplification, la cavité laser, l’optique des faisceaux lasers gaussiens, les modes et la cohérence des faisceaux lasers.
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Georges BOULON : Professeur - Institut Lumière Matière, Unité Mixte de Recherche CNRS 5306 - Université Claude Bernard Lyon1, Lyon, France
INTRODUCTION
Cet article sur les fondements des sources lasers à l’état solide est associé avec trois autres articles sur la luminescence cristalline appliquée aux sources lasers [AF3276], les cristaux et l’optique non linéaires [AF3278] et la génération d’impulsions lasers courtes (ns) à ultracourtes jusqu’à la femtoseconde (fs) [AF3282].
Il a pour objectif de présenter le thème des sources laser à l’état solide et de décrire les principaux paramètres physiques, essentiellement optiques, nécessaires à une bonne compréhension de leur fonctionnement.
Nous définissons le vocabulaire sur les notions de base comme le pompage optique des cristaux et des verres dopés par des ions actifs, les principaux éléments d’une source laser, les transitions d’absorption et d’émission des centres actifs, la population des niveaux d’énergie et particulièrement des systèmes à 3 et 4 niveaux appliqués aux lasers, les coefficients d’Einstein d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée (ou induite), les sections efficaces d’absorption et d’émission, la durée de vie d’un niveau d’énergie. Enfin, pour la cavité résonnante nous définissons l’intensité émise par le faisceau laser, l’optique des faisceaux gaussiens, les caractéristiques spectrales, les modes et la cohérence.
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- Version archivée 1 de janv. 2006 par Georges BOULON
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5. Coefficients d’Einstein d’absorption, d’émission spontanée et d’émission stimulée (ou induite)
L’action réciproque d’une onde électromagnétique et d’un système atomique caractérisé par ses niveaux d’énergie discrets peut être traitée par les processus d’absorption, d’émission spontanée et d’émission induite. Einstein a défini ces différents mécanismes par des coefficients traduisant les probabilités de chacun.
5.1 Mécanisme d’absorption
Considérons une cavité contenant n 0 atomes dont n 1 sont dans le niveau fondamental, éclairée par un faisceau de lumière parallèle de fréquence ν, telle que E 2 – E 1 = hν et de densité spectrale énergétique ρ(ν), ρ(ν) représente l’énergie contenue dans le faisceau excitateur par unité d’intervalle de fréquence et par unité de volume. Cette densité est reliée à l’intensité spectrale énergétique par la relation simple :
avec v la célérité de l’onde dans le milieu considéré.
Pour un milieu d’indice n*, on écrit :
avec c la célérité de l’onde dans le vide.
Par exemple, pour le cas simple et naturel d’une excitation donnée par une source thermique assimilée à un corps noir émettant un spectre continu, la densité ρ(ν) suit la loi de Planck qui dépend essentiellement de la température T :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Les Lasers et Leurs Applications Scientifiques et Médicales - Édition C. Fabre et J. P. Pocholle, Les Éditions de Physique (Paris) (1996). 1.1 C. FABRE, Les Lasers – Principes Fondamentaux, pp. 1-40. 1.2 G. BOULON, Matériaux pour Lasers à Solide, pp. 259-286. 1.3. H. MONERIE, Fibres optiques dopées et applications, - pp. 357-382.
-
(2) - BOULON (G.) - Les solides luminescents inorganiques : un dopage réussi. - Numéro spécial de L’Actualité Chimique, no 11 et Lettre des Sciences Chimiques du CNRS, no 72 (1999) pp. 96-105.
-
(3) - KOECHNER (W.) - Solid State Laser Engineering. - Springer, Berlin (1976).
-
(4) - SIEGMANN (A.E.) - An Introduction to Lasers and masers - Mc Graw Hill, New York (1971).
-
(5) - KAMINSKII (A.A.) - Laser Crystals. – Their physics and Spectroscopy, - Springer-Verlag (1981) and (1990).
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